超低速不完全旋转同轴安装轴承振动分析

超低速不完全旋转同轴安装轴承振动分析

1旋转设备的特点在分析工作性能和故障特性时，超低速、不完全旋转的重型轴承的主要特征如下。(1)承受载荷大。在回转设备工作过程中,设备自身重量加上操作人员重量,轴承承受动载荷达10吨以上。(2)不完全旋转。在工作过程中,由于设备的结构和功能影响,工作时,轴承在0～180°之间往复旋转。(3)旋转速度极低且不稳定。由于设备体积大,所以工作过程旋转速度极低,其正常工作周期通常为5min,而且工作过程中转速存在波动。(4)工作轴承数量多。旋转轴上共装有2套双列圆柱滚子轴承和1套推力圆柱滚子轴承,多轴承同轴的状况会造成不同振源的振动信号混叠耦合现象。(5)承受载荷随旋转角度发生变化。上部轴承和中部轴承主要是承受方向相反的径向载荷,此载荷的方向与回转设备的重心有关。因此当回转设备旋转时,这两个轴承所受载荷大小不变,但是方向随旋转角度发生变化。下部轴承承受载荷比较复杂,有设备的重力载荷以及一小部分径向压力载荷,还有来自旋转绞盘上的钢丝绳的拉力所以在进行故障诊断时必须考虑轴承进入承载区和非承载区的影响。(6)轴承内部承载区固定不变。回转设备往复运动,轴承与之同步旋转,在忽略滚子打滑等因素影响时,轴承上的承载区是固定不变的。从上述特点分析,超低速、不完全旋转重载轴承振动信号具有时域非稳态、多振源信号混叠、载荷变化与承载区相对稳定等特点,其特征频率不易提取,基于特征频率的轴承故障诊断方法不适用于此类轴承的性能检测与故障诊断,本文从超低速重载轴承的内在结构和运动规律出发,首次提出了基于角域特征量的超低速重载轴承故障诊断方法。2故障诊断和诊断的原则2.1振动加速度信号分析当滚动轴承的内、外圈或滚动体有损伤,轴旋转时,这些零件在接触过程中会发生机械冲击,产生故障冲击脉冲。故障冲击脉冲沿着传递路径传播,会出现能量衰减现象。冲击脉冲的能量衰减主要是由介质的吸收和散射引起的,介质的吸收使冲击脉冲的振幅减小,衰减变快;介质的散射使冲击脉冲持续时间变长,衰减变慢。通常在某一测点测得振动加速度信号由几部分组成:(1)经过衰减后的振源的直接信号;(2)经由第1反射界面(或散射体)多次反射(散射)的波叠加;(3)深处第2、第3等多个反射界面(或散射体)多次反射(散射)的波的叠加。但由于传递过程中冲击脉冲衰减较多,而且反射波存在时间差,所以叠加在由振源直接衰减成的信号分量较少。经过衰减后的振源的直接信号是所测振动信号的主要成分。也就是说介质内摩擦造成的能量耗散是影响所测振动信号振幅的主要因素。通常用介质的品质因子Q描述介质吸收特性的强弱,它是介质所固有的特性。振幅为A的弹性波的吸收可表示为式中:L为传递路径长度;f为频率;Q为介质的品质因子;v为波的传播速度。从(1)式可以看出,当f,Q,v为固定参数时,振幅只与传递路径长度有关,而冲击脉冲的振幅是振动能量大小的标志,振幅越大,振动能量越大,因此只要考察多个振动加速度传感器在同一时刻测得的振动信号能量对比,就可以识别故障脉冲的振源。2.2个轴承的受荷情况滚动轴承中的载荷分布情况是影响轴承使用寿命和工作可靠性的关键因素,载荷分布情况直接影响到滚动体与滚道的局部接触情况。研究载荷分布的主要目的是弄清轴承系统中的变形与承载情况,以及在轴承运动过程中,滚动体与内、外圈冲击强度的变化规律。从回转平台的结构来看,旋转轴上3个轴承承受载荷情况各有不同。上部轴承3530主要承受径向载荷,在工作过程中,外圈旋转,内圈不动,外圈和载荷同步变化,承载载荷的部位始终不变,内圈承载部位是不断变化的,滚动体承载情况也是变化的。中部轴承承受载荷方向与上部轴承正好相反,由于其运动规律与上部轴承相同,因此承载情况与上部轴承相同。下部的推力轴承主要承受轴向载荷,但由于回转绞盘上的钢丝绳的拉力作用,还承受一部分径向载荷。通常来说,脉冲的冲击强度受故障点的严重程度和承载强度两个因素的影响。对轴承各元件来说,承载是变化的,因此,某一故障部位产生脉冲的幅值变化与载荷变化是相对应的。则脉冲函数fp可表示为式中:f0为脉冲的幅值函数,反映了脉冲强度,其受故障程度η和载荷大小l的影响;δ(θ-ku)为类抽样函数,当(θ-ku)等于零时,其值为1,否则为0;u为故障零件的零件接触角,反映了脉冲系列的角度间隔;θ为轴承旋转角度变量。2.3旋转接触频次的计算在研究过程中发现,旋转过程中回转平台的旋转速度是非稳态的,也就是说时域上,受主、客观因素的影响,轴承的振动信号没有规律,但是在角度域上,轴承转动一周过程中,各零部件接触(如滚动体与外圈、滚动体与内圈的接触)次数是固定不变的,与轴承的转动速度无关。根据这个规律,提出了接触频次的概念。接触频次是指当轴承一个套圈旋转一周的过程中,外圈、内圈、保持架或滚子上某一点与其他构件接触的次数,单位为:次/转。接触频次与滚动接触次数的概念有所区别,滚动接触次数仅仅是描述内、外圈与滚动体的运动关系,接触频次则更加广泛地描述轴承内部各个构件之间的运动关系。当轴承旋转角度不到一周时,出现的脉冲数不足以计算接触频次值,接触频次特征量就无法直观反映出该轴承的故障特点。根据轴承元件均匀对称分布的特点,可知同一故障位置产生的脉冲在角度域上应当是均匀呈周期分布的。这样还可以导出零件接触转角的概念。零件接触转角是指在旋转工作过程中轴承零件特定点与其他零件发生接触的最小轴承套圈转角。假设轴承套圈在旋转过程中,滚子与内、外圈之间作纯滚动,所用符号意义如下:ni为内圈转速,r/min;ne为外圈转速,r/min;nm为滚动体围绕轴承轴线的转速,也称为滚动体公转转速,因为保持架是由滚动体带动旋转的,所以也是保持架的转速,r/min;ng为滚动体围绕自身中心轴线的转速,称为自转转速,r/min;nmi为保持架相对于内圈的转速,r/min;nem为外圈相对于保持架的转速,r/min;ωi为内圈转动角速度,rad/s;ωe为外圈转动角速度,rad/s;ωm为滚动体公转角速度,也是保持架的转动角速度,rad/s;Di为内圈滚道接触点的直径,mm;De为外圈滚道接触点的直径,mm;Dm为轴承平均直径,mm;Dw为滚动体直径,mm,α为接触角,rad或(°);Z为滚子数;b为滚子列数。如假定内圈旋转,外圈静止,轴的转速为n时,则,ni=n,ne=0,可得当假定外圈旋转,内圈静止,轴的转速为n时,则ne=nni=0可得在一般转速下,与上述公式的计算值符合,在高速轴承中,还应考虑惯性力矩和摩擦力矩对轴承各元件运动的影响。根据接触频次的定义,可知当外圈旋转一周,内圈不动时,内圈、外圈、保持架以及滚动体的运动时间相等,所耗时间为保持架转过的角度为外圈相对保持架转过的角度为保持架相对内圈转过的角度为则外圈接触频次为内圈接触频次滚动体接触频次外圈接触转角为内圈接触转角为滚动体接触转角为在实际计算滚动体接触频次时,考虑到滚动体与保持架之间相互作用力较小,即使故障部位与保持架发生接触,所产生的振动冲击信号幅值也较小,因此,滚动体与保持架之间的接触忽略不计。2.4承重式故障激励根据表1的计算公式,利用轴承的尺寸参数,可算得轴承各零件的接触频次与接触转角。当低速重载轴承某一处零件出现故障时,由于轴承的故障对激励具有直接的影响,特别是在承受较重载荷时,出现的脉冲激励有以下规律:(1)轴承运行中会产生周期性脉冲冲击,脉冲的重复周期与某个特定元件的接触频次相对应,对同一故障来说,产生的脉冲是均匀分布的,角度周期等于该零件接触转角。(2)脉冲的冲击强度与故障点的严重程度相对应。这样,根据接触频次与零件接触转角这两个特征参量,就可以对低速重载轴承进行故障诊断。3移动振动信号某大型设备旋转轴上共安装有型号为3530,3540,9069344的3个轴承,工作时,外圈旋转,内圈不动,各轴承承受载荷变化情况如图1,图2,图3所示,各型号轴承的角域特征参量如表2所示。振动加速度传感器测得3路振动信号如图4所示。利用振源识别方法,识别结果如图5、图6所示,从图中可以看出:(1)图5中有4个振动脉冲信号A1,B1,C1,D1,其角度横坐标分别为:14.4°,44.27°,79.88°,108.85°,A1与C1之间角度间隔为65.4°,B1与D1之间角度间隔为64.6°,可以判定这是上部轴承滚动体的故障。(2)图6中有5个振动脉冲信号A,B,C,D,E,其角度横坐标分别为:32.5°,65.88°,93.98°,126.18°,158.5°,4个脉冲的角度间隔分别为:33.38°,28.10°,32.19°,32.32°,而且振动脉冲的幅值呈递减趋势,与轴承载荷分布不均的情况相符。由此可以判断,该轴承内圈上存